双氧水氧化尾气两级处理技术设计
李海明
根据氧化尾气排放特性,采用改良空气冷干机组及活性炭吸附两级处理技术,并对工艺技术参数优选,以取得较佳的回收效益及达标排放。 关键词:双氧水氧化尾气 两级处理 尾气处理 参数优选
Design of Two-Step Treatment of Oxidation Tail-Gas from Hydrogen Peroxide Production
Li Haiming
（Fujian Design Institute of Petrochemical Industry，Fuzhou 350001） An improved air freeze-drying set and activated carbon adsorption are used as two steps for treatment of oxidation tail-gas in accordance with emission data of tail-gas，and process parameters are optimized to achieve a better recovery and come up to the emission standards． Keywords：hydrogen peroxide，oxidation tail-gas，two-step treatment，treatment of tail-gas，optimization of parameter
在蒽醌法生产双氧水过程中,压缩空气进入氧化塔与氢化液进行氧化,而后由氧化塔顶部排出,排出的尾气(45℃)中含有15.33g/m3重芳烃(三甲苯异构体)。 目前, 国内双氧水氧化尾气大多采用-5℃盐水冷却回收, 不仅装置庞大复杂、 操作不便, 过程控制难于实现自动化, 而且排放尾气中芳烃含量仍有2.15g/m3［1］， 该排放浓度对大气无疑造成严重污染。 笔者在泉州隆泰年产5万t 27.5%双氧水设计中,根据福建泉州环保局对该项目的批复中氧化尾气芳烃排放浓度≤70mg/m3的要求,对多种氧化尾气处理方案进行比较,确定将空气冷干机进行部分改良后用于氧化尾气的“干燥”,并用活性炭作二次处理。经两级处理后,氧化尾气不仅达到排放标准,而且回收芳烃重复利用,可获得较好经济效益和社会效益。
1 氧化尾气的排放特性
氧化尾气的排放特性由双氧水生产装置所决定,其排放温度为45～48℃, 压力为0.25～0.3MPa。 尾气的总排放量根据生产负荷而变化, 每吨27.5%H2O2产品排放量约1220m3，尾气中芳烃接近饱和状态, 其组成见表1。
表1 氧化尾气组成(体积百分比) N2 O2 重芳烃 其 它 91.9～89.9
6～8 1.1 1 2 氧化尾气两级处理工艺及技术参数优选
2.1 氧化尾气处理流程见图1。
图1 氧化尾气处理流程
来自氧化塔的尾气进入冷干机组,经常温冷却器、预冷器、冷凝器、分离器等单元,在所控制的压力、温度下进行冷凝分离芳烃后,尾气进入活性炭吸附塔,芳烃被活性炭吸附,而净化后的尾气经管道高空排放。活性炭塔设两台,其中一台吸附,一台再生。再生介质用过热蒸汽。出活性炭塔的废热蒸汽经冷凝漂析器进行冷却、冷凝分离,分离后的冷凝水去污水站处理,而芳烃集中回收再投入系统使用。再生后的活性炭层用前塔净化尾气冷却到40℃后投入下周期吸附。 2.2 主要工艺参数优选
(1) 尾气在冷干机的冷却温度
含有芳烃的尾气温度冷却得越低,排出的尾气中芳烃的饱和蒸汽压越低。但从表2看,当温度从5℃降到-10℃,其蒸汽压变化量随温度变化趋小,芳烃回收率增加不明显,如表中温度45℃饱和芳烃,冷却至5℃时芳烃回收率为91.7%, 在-5℃时回收率96.0%, 仅增加4.3%, 而耗冷量经测算却增加50%。 因此氧化尾气在冷干机的冷却温度宜控制在0～5℃之间, 本设计值取3℃。
表2 尾气温度与芳烃饱和含量关系
温 度 ℃ 45 40 30 20 10 5 蒸汽压 mmHg* 8.15 6.18 3.46 1.86 0.96 0.677 芳烃饱和含量 g/m3尾气 17.04 12.91 7.20 3.88 2.00 1.41 0 -5 -10 ?*1mmHg＝133．3Pa
0.471 0.323 0.219 0.98 0.67 0.46 (2) 活性炭的选择及其空速、吸附量
活性炭选用目前国内广泛用于鞋厂及油漆厂废气处理的TF型蜂窝状活性炭。为确保工程设计的可靠性,对该产品进行小型试验,测得空速为450m3/(m3.h)时,吸附量与废气中芳烃(甲苯、二甲苯、三甲苯)浓度关系如图2。
图2 吸附量与废气中芳烃浓度关系
在3℃时，进活性炭尾气芳烃浓度为1.223g/m3(尾气)，因此吸附量的设计值为20%。
(3) 活性炭再生介质及其温度
吸附重芳烃的TF蜂窝型活性炭脱附温度为140～160℃。由于芳烃的闪点为48℃,爆炸极限为1%～5.2%,故不宜采用热空气再生。为生产安全及利于操作回收,采用过热蒸汽为再生介质。操作时控制出床层蒸汽温度≥160℃，以避免蒸汽冷凝,活性炭床层再生后不需干燥即可投入使用。 过热蒸汽的焓值随温度的升高而增大,再生起始时,应采用高温过热蒸汽,减少耗量,便于冷凝回收芳烃。
活性炭使用温度为≤400℃,起始再生过热蒸汽温度以350℃为宜,随着再生过程进行适当调整。
3 主要设备选型及工艺计算
3.1 尾气冷干机组的选择及主要特点
标准的空气冷干机, 其进气压力为0.7MPa, 冷凝温度为5℃, 空气的常压露点达-25℃。 氧化尾气的压力为0.25～0.3MPa。 根据计算, 在该压力下, 温度为3℃时, 尾气的芳烃常压露点温度为-15℃, 因此运用冷干机作为氧化尾气回收装置回收效率较高。 本冷干机组由美国某公司根据氧化尾气工艺条件进行改良。 主要改进的部分为: 增加第一冷却器, 将尾气温度从48℃降至38℃; 对第二冷却器和冷凝器重新核算,
并采用高效换热器, 强化换热效果; 根据生产负荷波动状况, 选用高效、 富有操作弹性的特种气液分离器; 尾气过流部分均采用不锈钢材料; 根据工艺参数选用全自动控制系统。 其工作流程见图3, 主要技术参数见表3。
表3 冷干机组主要技术参数 处理量/m3/h 工作压力/MPa 最低冷凝温度/℃ 压力损失/MPa 耗冷量/kJ 耗水量/t/h
8500 0.25～0.3 3 0.035 2.7×106 80
图3 氧化尾气冷干机组工艺流程图
1—第一冷却器;2—一级分离器;3—第二冷却器; 4—冷凝器;5—二级分离器;6—冷媒系统;7—收集槽
3．2 活性炭塔和再生工艺计算 3.2.1 活性炭塔
(1) 活性炭技术参数见表4。
表4 活性炭技术参数
堆密度／kg/m3 规格／mm 空速／1/h 吸附量 % 比热容／kJ/(kg.℃) 空塔风速／m/s 使用温度／℃
(2) 尾气参数
380～420 50×50×100 450 20 1.095 0.2～0.5 ≤400 干尾气量: 8500m3/h; 温度: 24℃; 压力: 0.21MPa; 进塔芳烃含量1.223g/m3(干尾气); 出塔允许芳烃含量70mg/m3。 (3) 活性炭用量
备用系数取1.125, 实际用量为21.25m3。 式中
V 活性炭用量, m3 V0处理气量, m3/h
v空速，m3/(h.m3)(活性炭)
（4） 活性炭塔径及高度(m)
式中
V0 处理气量, m3/h T1 操作温度, K T0 273K
P1 操作压力, MPa P0 标准大气压, MPa 取2600
式中
V 活性炭床层体积, m3 F 活性炭塔截面积, m2 3.2.2 活性炭再生 (1) 再生周期T［2］